Вопросы для проверки

1. В чём существенное отличие холодной сварки от сварки плавлением?

2. Что представляет собой идеальная поверхность?

3. Как выглядит в реальности поверхность металла?

4. Какие этапы предполагаются для проведения холодной сварки?

5. Какими способами можно создать неразъёмное соединение в процессе холодной сварки?

6. Какие машины используются для проведения холодной сварки?

7. Какими преимуществами и недостатками обладает процесс холодной сварки?

Тема 1.2. Ультразвуковая сварка

Метод ультразвуковой сварки широко применяется в современной промышленности. Использование силового ультразвука в сварочном производстве вызвано возросшими требованиями к качеству соединений, скорости их выполнения, сохранению физико-химических свойств соединяемых материалов и т. п.

Изучение данной темы позволяет студенту – будущему инженеру изучить не только один из перспективных современных методов сварки, но и углубить свои знания в области материаловедения.

Вопросы для самопроверки, находящиеся в конце темы, позволяют закрепить полученные знания сразу по прочтении материала. В помощь освоения дисциплины предлагается тест №2 блока текущего контроля. По материалу данной темы необходимо выполнить лабораторную работу №1, показывающую возможности применения технического силового ультразвука в промышленности.

Ультразвук находит широкое применение в науке для исследования некоторых физических явлений и свойств веществ, В технике ультразвуковые колебания исполь­зуют для обработки металлов и в дефектоскопии. В сварочной технике ультразвук может быть использован в различных целях. Воздействуя им на сварочную ванну в процессе кристаллизации, можно улучшить механические свойства сварного соединения благодаря измельчению структуры металла шва и удалению газов. Ультразвук может быть источником энергии для создания точечных и шовных соединений.

Ультразвуковые коле­бания активно разрушают естественные и искусственные пленки, это позволяет сваривать металлы с окисленной поверхностью, покрытые слоем лака и т. п. Ультразвук снижает или снимает собственные напряжения и деформа­ции, возникающие при сварке. Им можно стабилизиро­вать структурные составляющие металла сварного соединения, устраняя возможность самопроизвольного деформирования сварных конструкций со временем.

В качестве источника энергии при сварке металлов ультразвук еще не нашел широкого применения, хотя этот способ имеет ряд преимуществ и особенностей по сравнению с контактной и холодной сваркой. При сварке ультразвуком неразъемное соединение ме­таллов образуется при совместном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. В принципе этот ме­тод сварки имеет много общего с холодной сваркой сдвигом.

Для получения, механических колебаний высокой частоты обычно используется магнитострикционный эффект, состоящий в изменении размеров некоторых металлов и сплавов под действием переменного магнитного поля. Для ультразвуковых преобразователей обычно используют чистый никель или железо-кобальтовые сплавы. Изме­нения размеров магнитострикционных материалов очень малы: так, для никеля магнитострикционное удлинение составляет 40·10^-6. Поэтому для увеличения амплитуды смещения и концентрации энергии колебаний, а также для передачи механических колебаний к месту сварки используют волноводы или концентраторы, которые в боль­шинстве случаев имеют сужающуюся форму.

Эксперименты показывают, что для сварки металлов достаточно иметь волноводы с коэффициентом усиления около 5, при этом амплитуда на конце волновода при хо­лостом ходе должна быть 20 - 30 мкм. Магнитострикцион­ный преобразователь и волноводы должны быть рассчи­таны и изготовлены на заданную частоту ультразвуко­вого генератора.

Основной узел машины для выполнения точечных сое­динений с помощью ультразвука - магнитострикционный преобразователь (рис. 5), его обмотка питается током высокой частоты от ультразвукового генератора.

Рис. 5. Схема установки для точечной сварки ультразвуком.

1— магнитострикционный преобразователь; 2 —диафрагма;

3 — ме­ханизм нажатия; 4 — выступ; 5 — маятниковая опора;

6 — волновод; 7 — кожух водяного охлаждения; 8 — изделие

Охла­ждаемый водой магнитострикционный преобразователь 7 изготовлен из пермендюра (К49Ф2), он служит для пре­вращения энергии тока высокой частоты в механические колебания, которые передаются волноводу 6. На конце волновода имеется рабочий выступ 4. При сварке изде­лие 8 зажимают между рабочим выступом 4 и ме­ханизмом нажатия 3, к которому прикладывают уси­лие, необходимое для создания давления в процессе сварки.

Сварка происходит при включенном преобразователе. Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод на рабочий выступ 4 в виде горизонтальных механических перемещений высокой частоты. Длитель­ность процесса сварки зависит от свариваемого металла и его толщины, для малых толщин она исчисляется до­лями секунды.

Основные узлы машины для выполнения шовных сое­динений при помощи ультразвука (рис. 6): вращающийся магнитострикционный преобразователь 1 и волновод 2. Конец волновода имеет форму ролика 3. Изделие 5, под­лежащее соединению, зажимают между вращающимся роликом 3 волновода и холостым роликом 4. Высокоча­стотные упругие колебания передаются через волновод на ролик, который вращается вместе с волноводом. Изделие, зажатое между роликами, перемещается, и одно­временно создается герметичное соединение.

Рис. 6. Схема установки для роликовой сварки ультразвуком:

1— магнитострикционный преобразователь; 2 —волновод; 3 — сваривающий

ролик; 4 — прижимной ролик; 5 —.изделие; 6 — кожух преобразователя;

7 — подвод тока от ультразвукового генератора; .8 — привод;

9 — подвод охлаждающей воды

Имеющийся опыт сварки ультразвуком выявил следующие преимущества этого способа:

1. Сварка ультразвуком происходит в твердом состоя­нии без существенного нагрева места сварки, что позво­ляет соединять химически активные металлы или пары металлов, склонные образовывать хрупкие интерметалли­ческие соединения в зоне сварки.

2. Возможны соединения тонких и ультратонких де­талей, приварка тонких

листов и фольги к деталям большей толщины, сварка пакетов из фольги.

3. Снижены требования к чистоте свариваемых поверхностей, в связи, с чем возможна сварка плакированных и оксидированных поверхностей и вообще сварка металли­ческих изделий, поверхности которых покрыты различ­ными изоляционными пленками.

4. Небольшие сдавливающие усилия [10 - 250 кгс (98 - 2450 Н) ] вызывают незначительную деформацию по­верхности деталей в месте их соединения (вмятина, как правило, не превышает 5 - 10%).

5. Применяется оборудование малой мощности и не­сложной конструкции (если, например, для контактной точечной сварки алюминия толщиной 1 мм необходима машина мощностью 100 - 150 кВА, то при сварке ультра­звуком аналогичного соединения - всего 5 - 2,5 кВА).

Ультразвуковая сварка нашла достаточно широкое при­менение для соединения тонких деталей из однородных и разнородных материалов.

В дальнейшем можно ожидать, что этот метод будет использован при сварке металлов, образующих хрупкие интерметаллические соеди­нения, для приварки тонких обши­вок к несущей конструкции (в авиа­ционной промышленности, автомобилестроении и ряде других отра­слей промышленности).